Полезные интеллектуальные модели для проектирования низкочастотных аналоговых схем?

Изучая анализ и проектирование схем (от « Введение в анализ и проектирование схем» Тилдона Х. Глиссона ), я поймал себя на мысли, что опытные конструкторы схем должны иметь гораздо более четкую мысленную модель, чтобы придумывать схемы, которые они проектируют.

Например, цифровая логическая схема может быть разработана с помощью таблиц истинности, карт Карно и других почти алгоритмически реализуемых методов. (Есть некоторые проблемы дизайна, такие как неидеальное распространение сигнала / тактового сигнала, но они могут быть решены).

Вопрос в том, существуют ли выразительные инструменты, которые помогают создавать низкочастотные аналоговые схемы с учетом условий ввода / вывода и других возможных ограничений? Это искусство или нужно запоминать полезные строительные блоки и просто выравнивать эти блоки, чтобы получить результат? Я говорю не о программном обеспечении для моделирования, а о ментальных моделях человека, которые сжимают наиболее важные знания, служащие эффективным следом в сфере.

Я даже не уверен, что это вообще можно объяснить (например, если бы кто-то спросил меня, как программировать программное обеспечение, мне было бы трудно объяснить, как программировать в целом ), поэтому я сузил свой вопрос до низкочастотных аналоговых схем, которые более или менее сводятся к резистивным цепям и зависимым источникам (я прав здесь?). (но я думаю, что переходные процессы сами по себе являются проблемой, и, возможно, те же самые ментальные карты помогают проектировать и в частотной области).

Я надеюсь, что этот вопрос не кажется слишком широким или расплывчатым. Я считаю, что если есть ответы, они могут быть такими же конкретными, как карты Карно, или иметь 4-6 предложений в своем описании.

Ключ к аналоговому дизайну - это истинное понимание того, что делают доступные строительные блоки (транзисторы, операционные усилители и т. Д.). Все остальное - творческий мыслительный процесс, позволяющий придумать способ соединения строительных блоков, чтобы получить схему, которая достигает своих целей. Опыт помогает ускорить это, но сам по себе не позволяет.

Основная проблема заключается в том, что пространство решения очень, очень большое. Есть много разных схем, которые могут достичь множества целей для чего угодно, кроме самых тривиальных задач. Иными словами, в аналоговом дизайне нет единого правильного ответа.

Хороший аналоговый дизайн не достигается путем включения данных в набор формул. Да, вы делаете некоторую арифметику, чтобы определить значения деталей и тому подобное. Настоящая часть дизайна не в том, чтобы отвечать на эти вопросы, а в том, чтобы творчески решать, какие вопросы задавать в первую очередь. Я не знаю каких-либо аналоговых средств проектирования, эквивалентных K-картам для комбунаторной цифровой логики.

Одна вещь, которую я считаю обязательной для аналогового дизайна, - это возможность по-настоящему визуализировать, что делает схема. Это гораздо больше, чем возможность проходить через схему и рассчитывать напряжения и токи, как вы делаете при выполнении домашних заданий. Это просто грубая сила большую часть времени, а не то, о чем я говорю. Вы должны быть в состоянии посмотреть на схему или иным образом подумать о цепи и мысленно увидеть, как растут напряжения и текут токи. Вы должны быть в состоянии визуализировать, как эти изменения влияют на компоненты, которые затем вызывают изменения в других местах и ​​т. Д.

Я не знаю, как этому научить. По моему опыту, те, кто может заниматься аналоговым дизайном, начали изучать повышение напряжения и токи, протекающие в раннем возрасте, обычно в поздней начальной школе. Они просто «получают» это, вероятно, от того, что подверглись достаточному количеству случаев в достаточно раннем возрасте, так что теперь это является частью их интуиции. Другим фактором может быть то, что те, кто действительно интересуется электроникой, будут в нее вникать в раннем возрасте, так что те, кто этого не делает, не имеют истинной страсти.

Вы можете научить кого-то любой теории, которую вы хотите, но может быть слишком поздно, чтобы получить интуитивное чувство, необходимое для реального проектирования аналоговых схем, если вы начнете в колледже. Я помню несколько студентов в колледже, которые могли справиться со всеми проблемами, получить хорошие оценки, но все еще не могли проектировать схемы без большого количества механических движений и обычно в основном копируя существующие проекты. Я не говорю, что смотреть и даже копировать существующие проекты - это обязательно плохая идея, но без интуиции и способности чувствовать напряжения и видеть токи, с которыми вы все застряли.

Теория важна и необходима, а опыт помогает вам быстрее найти хорошее решение и избежать некоторых ошибок, но это не то, что делает хорошего аналогового дизайнера хорошим аналоговым дизайнером. Тебе нужно почувствовать силу, Люк, чтобы быть настоящим джедаем.

Позвольте мне начать с того, что ваше видение инженера, рисующего карты Карно или таблицы истинности при проектировании цифровой схемы, немного ... устарело.

Сегодня любой цифровой дизайн, который превышает несколько десятков гейтов, описывается с использованием языка описания аппаратного обеспечения - языка высокого уровня, который описывает общую функциональность, а не точную реализацию в терминах логических вентилей (конечно, есть исключения). Таблицы истинности, карты Карно, различные алгоритмы оптимизации и т. Д. Оставлены для автоматических инструментов синтеза.

Даже цифровые проекты, написанные на HDL, не являются «прямыми» - у инженера всегда есть много альтернатив, каждый из которых имеет свои преимущества, недостатки и подводные камни. Чтобы написать хороший, надежный, читаемый и многократно используемый HDL, требуется большой опыт и обдумывание.

Вещи намного более сложны в аналоговых проектах:

• За аналоговым компонентом стоит более сложная теория, чем в старших классах и в аспирантуре.
• Компоненты взаимодействуют различными способами.
• Количество параметров для каждого компонента варьируется от нескольких до сотен.
• Всегда есть немного случайности, связанной со сложностью схем
• Многое другое

Я далек от того, чтобы быть экспертом в аналоговом дизайне, но думаю, что ответ на ваш вопрос отрицательный - нет простых шаблонов / формул / идей, которые всегда будут работать даже для низкочастотного проектирования (низкочастотный может быть высоким / низким энергопотреблением). , высокая толерантность, механически прочный и т. д.).

На работе я вижу молодых инженеров, работающих в группах по цифровому дизайну, и даже молодых программистов, но сердцем любой команды аналоговых дизайнеров являются немногие «старые дубы» - люди с огромным опытом, которого невозможно получить, просто читая книги. Я думаю, что это возрастное несоответствие является лучшим доказательством моего утверждения - ничто не сравнится с опытом в аналоговом дизайне.

Сказав все это, я не хочу, чтобы у кого-то создалось впечатление, что чтение книг не может помочь в понимании аналоговой электроники, но нужно понимать, что все прекрасные теории, разработанные, например, в Sedra & Smith, очень упрощены. Мне нравится книга Analog SEEKrets (на сайте есть бесплатная PDF-версия) - она ​​написана для того, чтобы заполнить пробел между теориями и реальными компонентами и приложениями. Это не книга начального уровня, хотя.

Однако есть одна область аналогового дизайна, где можно получить почти математическую точность: разработка аналоговых фильтров. Есть много инструментов, которые могут создавать законченные проекты на основе спецификаций, предоставляемых инженером. Но это исключение (единственное, которое я знаю).

Преобразован из комментария в соответствии с просьбой - НО это почти то же самое, что говорят другие.

Re " ... Is it kind of art ... memorize useful building blocks ..." 

Искусство и чувство - существенная часть этого.
Частично (только) компетентный повар - хорошая метафора.

• Они не просто запоминают рецепты, но знают много.

• Они не «выравнивают» части из разных рецептов, связанных с предметом, - они смотрят на рецепты и понимают, почему они работают так, как они работают, как они могут взаимодействовать с другими рецептами или комбинациями, и они объединяют «кусочки и кусочки», потому что они возможно, бессознательно «готовят в их голове».

Аналоговый дизайн обычно МЕНЬШЕ сложнее, чем приготовление пищи, так как взаимодействия лучше определены и понятны, чем в еде. Есть «правила» и «уловки», которые на самом деле являются просто «законами физики», сведенными в сокращение.

например, почти никто не знает и не принимает :-) что

• Максимальное усиление одной ступени биполярного транзистора составляет
  ~ = 38,4 х постоянного напряжения на нагрузочном резисторе.

Это происходит потому, что коэффициент усиления = R_collector cct / R_emitter circuit (= Rl / Re)
и для полностью обойденного эмиттерного резистора
Re = Rbe транзистора,
и это связано с динамическим сопротивлением соединения be,
которое соответствует ~ 26_Ом / emitter_mA,
т.е. 13 Ом при 2 мА или 52 Ом при 0,5 мА.

Вставьте эти цифры и немного
почесайте голову, и вы увидите, что усиление max = 1000/26 x Vload = 38,4 x Vload.

Это утверждение является частью глубокой магии и менее инаугурированного вопля от ужаса при предложении :-). И так далее. Со временем вы почувствуете частотную характеристику, уровень шума, ...

K-карта - это заявление о том, что вы хотите или что-то логически. Это не подразумевает схему логики. Для этого вам понадобятся навыки и другая информация, такая как скорость сигнала и требуемые уровни напряжения логики.

Точно так же сюжетная линия не приводит вас к проектированию схемы, но умение помогает вам выбрать правильные операции на основе требований к скорости и уровням напряжения, с которыми вам, возможно, придется иметь дело.